Grafen katkılı polisülfon kompozit membranların kirlenme özelliklerinin incelenmesi ve kirlenme kontrolü

Abstract

Bu çalışmada grafen katkılı, polisülfon esaslı elektriksel özellikleri iyileştirilmiş kompozit membranlar hazırlanmış, yapısal ve morfolojik olarak karakterize edilmiş, performans ve kirlenme özellikleri incelenmiş ve çalışma kapsamında hazırlanan elektriksel bağlantılı çapraz akış filtrasyon hücresi kullanılarak, çeşitli kirletici yapılara karşı elektriksel potansiyel kullanımı ile in-situ kirlenme kontrol çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Hazırlanan membranların enine kesit SEM görüntüleri, artan grafen katkı miktarıyla orantılı olarak membranın daha yüksek oranda parmaksı gözenekli hale geldiğini göstermiştir. Membran yüzey temas açısı ölçümleri, grafen (Gr) katkısının hidrofobik özelliği sebebiyle yüksek oranda katkı ilavesi ile membran yüzey su severliğinin azalttığını göstermiştir. Filtrasyon süreçlerinde grafen katkısı membran geçirgenliğinde artırıcı etki yapmıştır. İletkenlik ölçüm sonuçları, grafen katkısının PSf membranların iletkenliğinde artırıcı yönde etki yaptığını ve %5 oranında grafen katkısı kullanılarak PSf membranın iletkenliğinin 40 kat artırılabildiğini göstermiştir. Dışlama çalışmaları ile hazırlanan tüm membranlar için BSA dışlama performasının %90’ın üzerinde olduğu belirlenmiş ve sonuçlar membranların MWCO değerlerinin ~60.000 Da seviyesinde olduğunu göstermiştir. Filtrasyon ve basit hidrolik temizleme süreci kullanılarak, BSA, HA ve Cd2+ kirleticileri için sırasıyla %70, %91 ve %93 seviyelerinde akı geri kazanım oranları elde edilmiştir. BSA, hümik asit ve Cd2+ kirleticileri için sırasıyla membranların toplam kirlenme oranlarının ortalama %35-45, %20-30 ve %18-20 aralığında oldukları belirlenmiştir. Tüm kirleticiler için tersinmez kirlenme oranlarının daha yüksek olduğu, özellikle Cd2+’nın yüklü yapısı sebebiyle yüksek oranda tersinmez kirlenme oluşturma eğiliminde olduğu belirlenmiştir. Elektriksel kirlenme kontrolü çalışmaları, 15V sürekli potansiyel uygulamalı metodun optimum verimle çalıştığını göstermiştir. %5 oranında grafen içeren PSf membran ile gerçekleştirilen elektriksel potansiyel etkisi ile in-situ kirlenme kontrol çalışmalarında BSA, hümik asit ve Cd2+ kirleticileri için sırasıyla %39, %17 ve %33 oranlarında daha düşük akı azalması elde edilmiştir.In this study, graphene-doped, polysulfone-based composite membranes with improved electrical properties were prepared, they were structurally and morphologically characterized, their performance and fouling properties were examined and by using the electrically connected cross-flow filtration cell prepared within the scope of the study, in-situ fouling control studies were carried out using electrical potential against various pollutant structures. Cross-sectional SEM images of the prepared membranes showed that the membrane became more finger-like porous in proportion to the increasing amount of graphene additive. Membrane surface contact angle measurements showed that the hydrophobicity of the membrane surface decreased with the addition of high amounts of additives due to the hydrophobic property of the graphene additive. Graphene additive in filtration processes had a increasing effect on membrane permeability. Conductivity measurement results showed that graphene additive had an increasing effect on the conductivity of PSf membranes and that the conductivity of PSf membrane could be increased 40 times by using 5% graphene additive. The BSA rejection performance for all membranes prepared through rejection studies was determined to be over 90%, and the results showed that the MWCO values of the membranes were approximately ~60,000 Da. Using filtration and a simple hydraulic cleaning process, flux recovery rates of 70%, 91%, and 93% were achieved for BSA, HA, and Cd2+ contaminants, respectively. The total fouling rates of the membranes for BSA, humic acid and Cd2+ pollutants are on average in the range of 35-45%, 20-30% and 18-20%, respectively. In addition, the irreversible fouling rates are higher for all pollutants, especially due to the charged structure of Cd2+ it has been determined that it tends to cause irreversible pollution at a high rate. Electrical fouling control studies have shown that the method with 15V continuous potential application works with optimum efficiency. In in-situ fouling control studies with the electrical potential effect performed with 5% graphene containing PSf membrane, 39%, 17% and 33% lower flux decline was obtained for BSA, humic acid, and Cd2+ pollutants, respectively.